Examen de Química de Cataluña 2023 (convocatoria ordinaria)

La hidrazina (${\mathrm{N}}_2{\mathrm{H}}_4$) y la dimetilhidrazina (${\mathrm{N}}_2{\mathrm{H}}_2(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_2$) son combustibles líquidos. La hidrazina reacciona con el oxígeno y se obtiene ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{g})$ y ${\mathrm{N}}_2(\mathrm{g})$. La dimetilhidrazina reacciona con el oxígeno y se obtiene ${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{g})$, ${\mathrm{N}}_2(\mathrm{g})$ y $\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})$.

a) Escriba las dos reacciones de combustión. Calcule la entalpía estándar de reacción de cada combustible a 298 K. Si le pidieran consejo en la elección de uno de los dos combustibles para hacer señales desde un barco, considerando que la bodega del barco está casi al límite del peso permitido, ¿cuál de los dos aconsejaría? Justifique la respuesta. [1,25 puntos]
b) Represente el diagrama entálpico del proceso de combustión de la hidrazina. En la etiqueta de un envase que contiene hidrazina, se observan los dos pictogramas siguientes. Explique qué quieren decir estos pictogramas y de qué peligros nos alertan. [1,25 puntos]

Pictograma 1 (izquierda) y pictograma 2 (derecha).

Datos: Masas atómicas relativas: $\mathrm{H}=\mathrm{1,0}$; $\mathrm{C}=12$; $\mathrm{N}=\mathrm{14,0}$; $\mathrm{O}=\mathrm{16,0}$.
Entalpías estándar de formación a 298 K:

Sustancia	${\mathrm{N}}_2{\mathrm{H}}_4(\mathrm{l})$	${\mathrm{N}}_2{\mathrm{H}}_2(\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3{)}_2(\mathrm{l})$	${\mathrm{H}}_2\mathrm{O}(\mathrm{g})$	$\mathrm{C}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})$ $\mathrm{\Delta }{H}_f^{\circ }(\mathrm{k}\mathrm{J}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1})$	50,6	42,0	−241,8	−393,5

En una empresa química que produce disolventes tienen un problema de identificación de dos lotes elaborados, uno de etanol y otro de acetona, también llamada propanona. Para poder identificar qué disolvente hay en cada lote, realizan un espectro de masas de una muestra de cada uno de los lotes.



a) Formule el etanol y la acetona. Indique cuál es el pico base y el pico del ion molecular de los espectros de cada muestra. ¿Qué información nos dan estos picos? ¿Qué espectro corresponde a cada disolvente? Justifique las respuestas. [1,25 puntos]
b) El pico característico para identificar una cetona en un espectro de absorción infrarrojo (IR) corresponde a un número de onda de $1700\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-1}$. Calcule la longitud de onda, la frecuencia y la energía correspondientes a este pico. [1,25 puntos]

Datos: Masas atómicas relativas: $\mathrm{H}=\mathrm{1,0}$; $\mathrm{C}=12$; $\mathrm{O}=\mathrm{16,0}$. Velocidad de la luz en el vacío: $c=\mathrm{3,0}\times {10}^8\mathrm{m}{\mathrm{s}}^{-1}$. Constante de Planck: $h=\mathrm{6,63}\times {10}^{-34}\mathrm{J}\mathrm{s}$.

El cloruro de sulfurilo ($\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$) es un líquido a temperatura ambiente de olor punzante que a menudo se utiliza como fuente de cloro gaseoso, ya que por el hecho de ser un líquido es más fácil de almacenar y manipular. Es muy empleado en la síntesis de compuestos orgánicos para transformar enlaces C–H en enlaces C–Cl. También se ha utilizado, en el tratamiento de la ropa de lana, para que no encoja. El cloruro de sulfurilo se obtiene industrialmente por reacción entre el cloro y el dióxido de azufre, empleando carbón activo como catalizador. Se ha realizado la reacción de obtención de $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$ en un recipiente cerrado de 1,0 L a 400 K:

$\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2(\mathrm{g})+\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2(\mathrm{g})\rightleftharpoons \mathrm{S}{\mathrm{O}}_2\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2(\mathrm{g})\mathrm{\Delta }{H}^{\circ }<0$

a) Cuando la reacción ha llegado al equilibrio, se ha comprobado que el recipiente contenía 0,40 mol de $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$, 0,10 mol de $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$ y 0,50 mol de $\mathrm{C}{\mathrm{l}}_2$. Determine el valor de la constante de equilibrio en concentraciones ($K_c$). Si, después de alcanzar el equilibrio, se añaden 0,30 mol de $\mathrm{S}{\mathrm{O}}_2$ a la mezcla de reacción, ¿cuál es la nueva concentración de cloruro de sulfurilo en el equilibrio? [1,25 puntos]
b) Razone qué efecto tendría sobre el rendimiento de la reacción:
— un aumento de la temperatura del recipiente;
— un aumento del volumen del recipiente;
— la eliminación del catalizador.
Razone también qué efecto tendrían sobre el valor de la $K_c$ las tres acciones mencionadas anteriormente. [1,25 puntos]

El ácido hipocloroso (HClO) se considera uno de los desinfectantes más potentes y es utilizado en centros sanitarios con la voluntad de extremar las medidas de desinfección de sus instalaciones a raíz de la covid-19. A menudo este ácido débil se utiliza como desinfectante en disoluciones de concentración 0,05 M.

a) Calcule la constante de acidez del ácido hipocloroso, sabiendo que una disolución acuosa 0,30 M de este ácido tiene un pH de 4,02 a 25 °C. Otro ácido, el ácido cloroso ($\mathrm{H}\mathrm{C}\mathrm{l}{\mathrm{O}}_2$), tiene una constante de acidez $K_{\mathrm{a}}$ de $\mathrm{1,00}\times {10}^{-2}$. ¿Qué pH tendrá una disolución de concentración 0,30 M de este segundo ácido? [1,25 puntos]
b) Al valorar 40,0 mL de una disolución de desinfectante, de concentración de ácido hipocloroso desconocida, con una disolución acuosa de hidróxido de sodio (NaOH) 0,05 M, necesitamos 33,0 mL de esta base para llegar al punto final. Escriba la reacción de valoración. ¿Cuál es la concentración de ácido hipocloroso en el desinfectante? ¿Esta concentración es mayor o menor que la concentración habitual de los desinfectantes empleados más frecuentemente? Diga si el pH en el punto de equivalencia será ácido, neutro o básico, y justifique la respuesta. [1,25 puntos]

Datos: Masas atómicas relativas: $\mathrm{H}=\mathrm{1,0}$; $\mathrm{C}=\mathrm{12,0}$; $\mathrm{O}=\mathrm{16,0}$.

El acetaldehído ($\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}$) se descompone en metano y monóxido de carbono según la reacción siguiente:

$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_3\mathrm{C}\mathrm{H}\mathrm{O}(\mathrm{g})\to \mathrm{C}{\mathrm{H}}_4(\mathrm{g})+\mathrm{C}\mathrm{O}(\mathrm{g})\mathrm{\Delta }{H}^{\circ }(298\mathrm{K})=-20\mathrm{k}\mathrm{J}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$

Esta reacción tiene una energía de activación de $188\mathrm{k}\mathrm{J}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$ sin emplear ningún catalizador y una energía de activación de $135\mathrm{k}\mathrm{J}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$ empleando yodo como catalizador.

a) Justifique si se trata de una reacción endotérmica o exotérmica. Calcule el valor de la entalpía estándar de formación del acetaldehído a 298 K. Dibuje en un mismo gráfico la energía de la reacción en función de la coordenada de reacción de la reacción catalizada y no catalizada, indicando la posición de los estados de transición, las energías de activación y la entalpía de reacción. [1,25 puntos]
b) Determine las energías de activación de la reacción de síntesis del acetaldehído a partir de metano y monóxido de carbono del proceso catalizado y no catalizado. ¿Qué es un catalizador? Razone, a partir del modelo cinético del estado de transición, cómo afecta un catalizador a la velocidad de la reacción. [1,25 puntos]

Datos: Entalpías estándar de formación a 298 K:

Sustancia	$\mathrm{C}{\mathrm{H}}_4(\mathrm{g})$	$\mathrm{C}\mathrm{O}(\mathrm{g})$ $\mathrm{\Delta }{H}_f^{\circ }(\mathrm{k}\mathrm{J}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1})$	−75	−111

El sulfato de bario ($\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$) es un compuesto poco soluble en agua que se utiliza como contraste radiológico en análisis de rayos X del esófago, el estómago y los intestinos. Generalmente, hay que beber una suspensión de sulfato de bario una o dos veces antes del análisis radiológico.

a) Calcule la solubilidad molar del sulfato de bario en agua. Calcule qué cantidad de ion bario ($\mathrm{B}{\mathrm{a}}^{2+}$), en mg, se ingiere si se toman 200 mL de una disolución saturada de sulfato de bario antes de un análisis radiológico. [1,25 puntos]
b) Algunos estudios indican que aproximadamente el 2 % de la población es alérgica al ion bario. En el caso de que un paciente sea alérgico al ion bario, razone si añadir una cierta cantidad de sulfato de sodio ($\mathrm{N}{\mathrm{a}}_2\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4$) a la suspensión de sulfato de bario que hay que tomar sería bueno para disminuir los efectos de la alergia. A las personas alérgicas al ion bario, ¿qué suspensión les provocará más alergia: una de sulfato de bario o una de carbonato de bario ($\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3$)? Justifique la respuesta. [1,25 puntos]

Datos: Constantes del producto de solubilidad a 25 °C: $K_{\mathrm{p}\mathrm{s}}(\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{S}{\mathrm{O}}_4)=\mathrm{1,1}\times {10}^{-10}$; $K_{\mathrm{p}\mathrm{s}}(\mathrm{B}\mathrm{a}\mathrm{C}{\mathrm{O}}_3)=\mathrm{3,2}\times {10}^{-9}$. Masas atómicas relativas: $\mathrm{B}\mathrm{a}=\mathrm{137,3}$; $\mathrm{S}=\mathrm{32,1}$; $\mathrm{O}=\mathrm{16,0}$.

El recubrimiento electrolítico con cromo se utiliza para proteger superficies metálicas de la corrosión, así como para mejorar su aspecto y sus prestaciones.

a) Se quiere cromar un objeto de acero rectangular que tiene una superficie de $1400\mathrm{c}{\mathrm{m}}^2$ con una capa de cromo de 0,1 mm de grosor. Para hacerlo, se coloca este objeto como cátodo en una cubeta de electrólisis que contiene iones $\mathrm{C}{\mathrm{r}}^{3+}$ en disolución. Escriba la reacción de electrodeposición del cromo. Si la corriente es de 20,0 A, ¿cuántas horas ha de durar la electrólisis? [1,25 puntos]
b) Los ánodos de sacrificio también se utilizan como sistema de protección anticorrosivo. Estos recubrimientos se oxidan antes que el metal que protegen. Justifique cuáles de los metales de la tabla siguiente podrían utilizarse como ánodos de sacrificio para proteger una superficie que contiene hierro. Defina oxidante y reductor. En la vida cotidiana, ¿cuáles son los principales agentes causantes de la corrosión de los metales? [1,25 puntos]

Potenciales estándar de reducción a 298 K:

$E^{\circ }(\mathrm{C}{\mathrm{u}}^{+}\mathrm{/}\mathrm{C}\mathrm{u})$	$E^{\circ }(\mathrm{C}{\mathrm{o}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{C}\mathrm{o})$	$E^{\circ }(\mathrm{F}{\mathrm{e}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{F}\mathrm{e})$	$E^{\circ }(\mathrm{Z}{\mathrm{n}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{Z}\mathrm{n})$	$E^{\circ }(\mathrm{A}{\mathrm{l}}^{3+}\mathrm{/}\mathrm{A}\mathrm{l})$	$E^{\circ }(\mathrm{M}{\mathrm{g}}^{2+}\mathrm{/}\mathrm{M}\mathrm{g})$ 0,52 V	−0,28 V	−0,44 V	−0,76 V	−1,66 V	−2,37 V

Datos: Densidad del cromo: $\mathrm{7,1}\mathrm{g}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^{-3}$. Constante de Faraday: $F=\mathrm{9,65}\times {10}^4\mathrm{C}\mathrm{m}\mathrm{o}{\mathrm{l}}^{-1}$. Masa atómica relativa: $\mathrm{C}\mathrm{r}=\mathrm{52,0}$.